高中人教版 (2019)第二节 电解池导学案及答案

电解原理的应用

一、电解饱和食盐水

1．氯碱工业

(1)概念：习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。

(2)原理

①通电前，氯化钠溶液中含有的离子是Na＋、Cl－、H＋、OH－。

通电时，移向阳极的离子是Cl－、OH－，移向阴极的离子是Na＋、H＋。

②阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑；

阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；

因H＋放电，促进了水的电离，使阴极区溶液显碱性。

③电解的总反应式

化学方程式为2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH；

离子方程式为2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－。

(3)氯碱工业生产流程

①离子交换膜电解槽

②离子交换膜的作用：只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠溶液反应而影响氢氧化钠溶液的产量和质量。

微点拨：氯碱工业规律的记忆口诀：氢气烧碱出阴极，氯气阳极相隔离。①因为阳极产物Cl2和阴极产物H2会发生反应，Cl2和NaOH会发生反应，因此工业上常用特殊的电解槽电解饱和食盐水，一般用阳离子交换膜将电解槽分隔成两部分，以避免电解产物之间发生反应。②阳极区Cl－放电生成Cl2，生成的Cl2少量溶于水会使阳极区呈酸性。

　如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图，下列有关说法中不正确的是(　　)

A．装置中出口①处的物质是氯气，出口②处的物质是氢气

B．该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过

C．装置中发生反应的离子方程式为2Cl－＋2H＋Cl2↑＋H2↑

D．该装置是将电能转化为化学能

C　[由图看出①处为电解池阳极产生氯气，②处为电解池阴极产生氢气，A对；该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过，能防止氯气与碱反应，且在阴极区得到浓度较高的烧碱溶液，B对；电解饱和食盐水有烧碱生成且H2O应写化学式，C错；电解装置是将电能转化为化学能的装置，D对。]

二、电镀

1．电镀的概念：利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺。电镀的主要目的是使金属增强抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观。

2．某电镀铜实验装置(电镀池)如图所示。

请回答下列问题：

(1)铜片为镀层金属，与直流电源的正极相连，作阳极；

铁件为待镀金属，与直流电源的负极相连，作阴极；

硫酸铜溶液为电镀液，含有镀层金属离子。

(2)阳极反应式为Cu－2e－===Cu2＋；

阴极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。

(3)可观察到的现象是铁件表面镀一层红色的铜，铜片不断溶解。

(4)硫酸铜溶液浓度的变化是不变。

3．电镀的特点是阳极参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。

微点拨：(1)电镀规律记忆口诀：镀层阳极待镀阴，镀层离子溶液跟。我与电解共原理，浓度不变要记真。

(2)电镀特点：“1多、1少、1不变”。“1多”是指阴极上有镀层金属沉积，“1少”是指阳极上有镀层金属溶解，“1不变”是指电解质溶液的浓度不变。

　在铁制品上镀一层一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是(　　)

A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子

B．铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子

C．铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子

D．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有亚铁离子

A　[电镀原理是镀层金属作阳极，镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。]

三、电解精炼铜

1．粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。电解池的构成是用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用硫酸铜溶液作电解质溶液。

2．阳极反应式为Cu－2e－===Cu2＋、Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋等；阴极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。

3．电解精炼铜的原理：粗铜中比铜活泼的金属锌、铁等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中)；比铜不活泼的金属银、金等，以金属单质的形式沉积在电解槽的底部(形成阳极泥)；粗铜中的铜在纯铜上析出。

金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量铁、锌、铜、铂等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)(　　)

A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－===Ni

B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等

C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋

D．电解后，电解槽底部的阳极泥中有铜和铂，没有锌、铁、镍

D　[电解精炼镍时，粗镍作阳极，纯镍作阴极，电解质溶液中含有Ni2＋，则阳极发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Fe－2e－===Fe2＋，Ni－2e－===Ni2＋，阴极电极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni，因此，电解过程中阳极减少的质量不等于阴极增加的质量，电解后，溶液中存在的金属阳离子有Fe2＋、Ni2＋、Zn2＋，电解槽底部的阳极泥中只有铜和铂，没有锌、铁、镍。]

四、电冶金

1．金属冶炼就是使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程，从它们的化合物中还原出来。如Mn＋＋ne－===M。

2．电解法用于冶炼较活泼的金属(如钾、钠、镁、铝等)，但不能电解其盐溶液，应电解其熔融态。

如：电解熔融的氯化钠可制取金属钠：

阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑；

阴极反应式为2Na＋＋2e－===2Na；

总反应式为2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)在镀件上电镀铜时，也可以用惰性材料作阳极，用硫酸铜溶液作电解液。 (√)

(2)电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。 (×)

(3)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。 (×)

(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。 (×)

　利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。下列说法正确的是(　　)

A．氯碱工业中，X电极上的反应式是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

B．电解精炼铜时，Z溶液中的Cu2＋浓度不变

C．在铁片上镀铜时，Y是纯铜

D．制取金属镁时，Z是熔融的氯化镁

D　[氯碱工业中阳极是Cl－放电生成Cl2；电解精炼铜时阳极上粗铜溶解，阴极上Cu2＋放电析出Cu，由于粗铜中含有锌、铁、镍等杂质，电解质溶液中Cu2＋浓度变小；铁片上镀铜时，阴极应该是铁片，阳极是纯铜。]

模拟电解原理在化工生产中的应用，实验装置如图所示，装置闭合电键K时，电流表的指针将发生偏转。

甲　　　　　乙　　　　丙

[问题1]　哪个装置是原电池？哪个装置是电解池？

[提示]　甲、乙构成原电池，丙是电解池。

[问题2]　a、b、c、d电极名称分别是什么？

[提示]　a是负极，b是正极，c是阳极，d是阴极。

[问题3]　若模拟氯碱工业生产烧碱、氯气和氢气，如何选用电极材料和电解质溶液？

[提示]　c电极用Pt或石墨，d电极用铁丝(导体均可)，X溶液为饱和食盐水。

[问题4]　若模拟电镀生产，在铁件上镀一层金属银，如何选用电极材料和电解质溶液？电极反应式如何书写？

[提示]　c电极用Ag，d电极用Fe，X溶液为AgNO3溶液；阳极：Ag－e－===Ag＋，阴极：Ag＋＋e－===Ag。

[问题5]　若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？

[提示]　c电极用粗铜，d电极用纯铜，X溶液为CuSO4溶液。

1．电镀铜与精炼铜的比较

2．原电池、电解池、电镀池的判断方法

(1)若装置中无外加电源，则该装置可能为原电池，然后根据原电池的构成条件进行分析判断。

(2)若有外接直流电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池；当阴极为金属，阳极亦为金属且与电解质溶液中的金属阳离子属同种元素时，则为电镀池。

(3)若多个单池相互串联，又有外接直流电源时，则与直流电源相连接的为电解池或电镀池。若无外接直流电源时，较活泼的金属电极为原电池的负极(电子输出极)，有关装置为原电池，其余为电镀池或电解池。

1．氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品。如图所示是离子交换膜法电解食盐水的示意图，图中的离子交换膜只允许阳离子通过。

完成下列填空：

(1)写出电解饱和食盐水的离子方程式： ___________________

_____________________________________________________。

(2)离子交换膜的作用为_________________________________

_____________________________________________________、

_____________________________________________________。

(3)精制饱和食盐水从图中________(填“a”“b”“c”或“d”，下同)位置补充，NaOH溶液从图中________位置流出。

[解析]　(1)电解饱和食盐水时，溶液中的H＋在阴极得到电子变为H2逸出，使附近的水溶液显碱性，溶液中的Cl－在阳极失去电子，发生氧化反应产生Cl2，电解反应的离子方程式是2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－。(2)图中的离子交换膜，只允许阳离子通过，不能使阴离子和气体通过，这样就可以阻止阴极溶液中的OH－进入阳极室，与Cl2发生反应，阻止Cl－进入阴极室，使在阴极区产生的NaOH纯度更高。同时可以阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。(3)随着电解的进行，溶质NaCl不断消耗，所以应该及时补充，精制饱和食盐水从与阳极连接的图中a位置补充，由于阴极H＋不断放电，附近的溶液显碱性，NaOH溶液从图中d位置流出；水不断消耗，所以从b口不断加入含有少量NaOH的蒸馏水(可增强导电性)，从c位置流出的是稀的NaCl溶液。

[答案]　(1)2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－　(2)阻止OH－进入阳极室，与Cl2发生副反应：2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O　阻止阳极产生的Cl2进入阴极室，和阴极产生的H2混合发生爆炸　(3)a　d

2．酸性条件下，六价铬主要以Cr2O形式存在，工业上常用电解法处理含Cr2O的废水；该法用Fe作电极电解含Cr2O的酸性废水，随着电解不断进行，阴极附近溶液pH升高，产生Cr(OH)3沉淀。

(1)电解时能否用Cu电极来代替Fe电极？________(填“能”或“不能”)，理由是______________________________________________________________

________________________________________________________________。

(2)电解时阳极附近溶液中Cr2O转化为Cr3＋的离子方程式为___________

________________________________________________________________。

(3)若初始溶液中含有0.1 molCr2O，则生成的阳离子全部转化成沉淀的质量是________g。

[解析]　(1)Fe作阳极时生成的Fe2＋能将Cr2O还原为低价态，而若用Cu代替Fe作阳极，则生成的Cu2＋不能将Cr2O还原至低价态，故不能用Cu电极代替Fe电极。(2)电解时阳极附近的Cr2O与Fe2＋发生氧化还原反应生成Cr3＋和Fe3＋，根据溶液呈酸性、电荷守恒、原子守恒和得失电子守恒可写出其离子方程式。(3)初始溶液中0.1 molCr2O被还原为0.2 molCr3＋，同时生成0.6 mol Fe3＋，Cr3＋和Fe3＋全部沉淀时转化为0.2 molCr(OH)3和0.6 mol Fe(OH)3，其质量为0.2 mol×103 g·mol－1＋0.6 mol×107 g·mol－1＝84.8 g。

[答案]　(1)不能　阳极产生的Cu2＋不能将Cr2O还原到低价态

(2)Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O　 (3)84.8

电解原理及应用中常见的误区

(1)当电解过程中被电解的是水和电解质时，电极反应式中出现的是H＋或OH－放电，但在书写总反应式时要将反应物中的H＋或OH－均换成水。

(2)铁作电解池的阳极时，铁并不是失去3个电子生成Fe3＋，而是失去2个电子生成Fe2＋。

(3)误认为在金属活动性顺序表中排在氢前面的金属阳离子一定不能放电，如：在镀件上镀锌，电解质溶液应是含Zn2＋的浓溶液，在阴极Zn2＋得电子生成Zn，而不是H＋放电。

(4)误认为粗铜精炼时，阴极增重与阳极减重相等。

(5)电解时的氧化产物或还原产物能与电解质溶液中的粒子发生反应时，应将该粒子写入电极反应式中。

在如图中，甲烧杯中盛有100 mL 0.50 mol·L－1AgNO3溶液，乙烧杯中盛有100 mL 0.25 mol·L－1CuCl2溶液，A、B、C、D均为质量相同的石墨电极，如果电解一段时间后，发现A极比C极重1.9 g。

甲　　　　　乙

[问题1]　发现A极比C极重，说明A极和C极上分别析出什么物质？说明电源E为正极还是负极？

[提示]　A极比C极重，说明A极上有Ag析出，说明电源E是负极，则C极为阴极，C极上有铜析出。

[问题2]　A极比C极重1.9 g，则A极上析出单质的质量为多少？C极上析出单质的质量为多少？

[提示]　设A极析出的Ag为x mol，则对应析出的铜为 mol(电子守恒)，即得108x－64×＝1.9，x＝0.025，则析出Ag的质量为2.7 g，析出铜的质量为0.8 g。

[问题3]　写出B极的电极反应式；计算B极析出气体的体积是多少(标准状况)?

[提示]　B极的电极反应式： 4OH－－4e－===O2↑＋2H2O；根据题意可知，该过程转移0.025 mol电子，则B极生成O2的体积V＝22.4 L/mol× mol＝0.14 L。

1．计算的原则

(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。

(2)串联电路中通过各电解池的电子总数相等。

(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。

2．计算的方法

3．计算的步骤

(1)正确书写电极反应式(要注意阳极材料)。

(2)当溶液中有多种离子共存时，要确定放电离子的先后顺序。

(3)最后根据得失电子守恒进行相关的计算。

1．将1 L含有0.4 molCu(NO3)2和0.4 mol KCl的水溶液，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2 gCu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)(　　)

A．3.36 L　　B．5.6 L　　C．6.72 L　　D．13.44 L

B　[阴极析出铜0.3 mol，由Cu2＋＋2e－===Cu知Cu2＋得到0.6 mol电子，根据2Cl－－2e－===Cl2↑，求出当溶液中Cl－全部参与电极反应时，放出Cl2 0.2 mol，失去电子0.4 mol。因此在阳极还有OH－放电，根据4OH－－4e－===2H2O＋O2↑和电子守恒，在阳极有0.05 mol O2放出，即阳极共放出0.25 mol，标准状况下为5.6 L的气体。]

2．利用电化学原理，将NO2、O2和熔融KNO3制成燃料电池，模拟工业电解法来处理含Cr2O废水，如图所示；电解过程中溶液发生反应：Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O。

甲　　　　　　　　乙

(1)甲池工作时，NO2转变成绿色硝化剂Y，Y是N2O5，可循环使用。则石墨Ⅱ是电池的________极；石墨Ⅰ附近发生的电极反应式为________________________________________________________________。

(2)工作时，甲池内的NO向________(填“石墨Ⅰ”或“石墨Ⅱ”)极移动；在相同条件下，消耗的O2和NO2的体积比为___________________。

(3)乙池中Fe(Ⅰ)棒上发生的电极反应为______________________________

________________________________________________________________。

(4)若溶液中减少了0.01 molCr2O，则电路中至少转移了________mol电子。

(5)向完全还原为Cr3＋的乙池工业废水中滴加NaOH溶液，可将铬以Cr(OH)3沉淀的形式除去，已知Cr(OH)3存在以下溶解平衡：Cr(OH)3(s)===Cr3＋(aq)＋3OH－(aq)，常温下Cr(OH)3的溶度积Ksp＝c(Cr3＋)·c3(OH－)＝1.0×10－32，要使c(Cr3＋)降至10－5mol·L－1，溶液的pH应调至________，比色卡对照即可。

[解析]　(1)石墨Ⅱ电极通入氧气，氧气发生还原反应，所以石墨Ⅱ是电池的正极；石墨Ⅰ电极NO2被氧化为N2O5，电极反应式为NO2＋NO－e－===N2O5。(2)电池工作时，阴离子移向负极，所以甲池内的NO向石墨Ⅰ极移动；电池总反应式为4NO2＋O2===2N2O5，所以消耗的O2和NO2的体积比为1∶4。(3)乙池中的Fe(Ⅰ)棒与电池正极相连，Fe(Ⅰ)棒是电解池阳极，所以Fe(Ⅰ)棒失电子发生氧化反应：Fe－2e－===Fe2＋。(4)根据Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，铬元素化合价由＋6降低为＋3；溶液中减少了0.01 molCr2O，Fe(Ⅰ)棒需要生成0.06 mol Fe2＋，所以电路中至少转移了0.12 mol电子。(5)c(Cr3＋)降至10－5 mol·L－1时，c(OH－)＝ mol·L－1＝10－9 mol·L－1，c(H＋)＝ mol·L－1＝10－5 mol·L－1，所以pH＝5。

[答案]　(1)正　NO2＋NO－e－===N2O5

(2)石墨Ⅰ　1∶4　(3)Fe－2e－===Fe2＋　(4)0.12　(5)5

1．关于镀铜和电解精炼铜，下列说法中正确的是(　　)

A．都用粗铜作阳极、纯铜作阴极

B．电解液的成分都保持不变

C．阳极反应都只有Cu－2e－===Cu2＋

D．阴极反应都只有Cu2＋＋2e－===Cu

D　[A项，电镀时镀件作阴极；B项，电解精炼铜时电解液成分改变，电解精炼铜时，杂质若有比铜活泼的金属(如锌)，则还会发生Zn－2e－===Zn2＋的反应。]

2．以铜为电极，a mol·L－1的硫酸铜溶液作电解液，对含有铁、锌、银的粗铜进行电解精炼，下列叙述中正确的是(　　)

①粗铜应与电源的负极相连；

②当有1 mol精铜析出时，就有2NA个电子通过电解质溶液；

③阴极上的反应只有Cu2＋＋2e－===Cu；

④电解结束时，c(CuSO4)<a mol·L－1；

⑤杂质银以Ag4SO2的形式沉入电解池中形成“阳极泥”。

A．②③　　B．①③⑤　　C．①②④⑤　　D．③④

D　[电解精炼铜利用的是电解原理，在电解池中粗铜作阳极，与电源正极相连，根据放电顺序：锌>铁>铜>银，锌、铁、铜先后失电子变成离子，而银沉积形成阳极泥；纯铜作阴极，与电源负极相连，发生还原反应：Cu2＋＋2e－===Cu，有大量铜析出，所以①⑤错误，③正确。电子只经过外电路，在电解质溶液中发生的是离子的移动，②错误。因为阳极失电子的有锌、铁、铜，阴极析出的只有铜，所以随着电解进行，铜离子的浓度逐渐减小，④正确。故选D。]

3．铝及铝合金经过阳极氧化，铝表面能生成几十微米厚的氧化铝膜。某研究性学习小组模拟工业法对铝片表面进行氧化处理，按照如图所示装置连接，电解10 min后取出锌片，用水冲洗，放在水蒸气中封闭处理20～30 min，即可得到更加致密的氧化膜。下列有关说法正确的是(　　)

A．电解时，电子从电源正极→导线→铝极、铅极→导线→电源负极

B．在电解过程中，H＋向铝片移动，SO向铅片移动

C．在电解过程中，阳极周围溶液的pH下降

D．电解的总反应式为2Al＋6H＋2Al3＋＋3H2↑

D　[电子流向和电流流向相反，电解时电子从电源负极→导线→铅极、铝极→导线→电源正极，故A错误；在电解过程中，溶液中的H＋向阴极(铅片)移动，SO向阳极(铝片)移动，故B错误；电解时，阳极是活泼金属时，放电的是电极本身，周围溶液的pH基本不变，故C错误；阳极是活泼金属铝，金属铝在该极失电子，阴极是H＋得电子，所以电解的总反应式可表示为2Al＋6H＋2Al3＋＋3H2↑，故D正确。]

4．研究发现，1 100 ℃时，加入合适的熔盐电解质可直接电解SiO2，电解原理为SiO2Si＋O2↑。利用如图装置电解SiO2(加热装置略去)，得到的Si直接进入锌镁合金形成硅锌镁合金，再通过真空蒸馏除去锌镁得到高纯硅。下列说法不正确的是(　　)

A．X极接正极

B．通入氩气的目的是防止高温时氧气氧化石墨电极

C．阳极反应式为2O2－－4e－===O2↑

D．当电路中通过0.4 mol电子时，合金质量增加2.8 g

A　[电解SiO2得到的Si直接进入锌镁合金形成硅锌镁合金，同时为防止与石墨坩埚作阳极使与之接触的合金放电，X极应接电源的负极，Y极应接电源的正极，A错误；在阳极2O2－－4e－===O2↑，产生氧气，防止高温时氧气氧化石墨电极，在阳极通入氩气，B正确；阳极发生失电子的氧化反应，阳极电极反应式为2O2－－4e－===O2↑，C正确；由阴极的电极反应式Si4＋＋4e－===Si可知，当电路中通过0.4 mol电子时，产生0.1 mol Si，即合金质量增加2.8 g,D正确。]

5．某同学设计一个燃料电池(如图所示)，目的是探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理，其中乙装置中X为阳离子交换膜。

甲　　　乙　　　　丙

根据要求回答相关问题：

(1)通入氢气的电极为________(填“正极”或“负极”)，该电极反应式为

_______________________________________________________________。

(2)石墨电极为________(填“阳极”或“阴极”)，反应一段时间后，在乙装置中滴入酚酞溶液，________(填“铁极”或“石墨极”)区的溶液先变红。

(3)如果粗铜中含有锌、银等杂质，丙装置中反应一段时间，硫酸铜溶液浓度将________(填“增大”“减小”或“不变”)。精铜电极上的电极反应式为________________________。

[解析]　(1)通入氢气的电极为负极，电解质溶液是碱性的，该电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O。(2)石墨电极与电源的正极连接，石墨电极为阳极，反应一段时间后，在乙装置中滴入酚酞溶液，溶液中的H＋在阴极(Fe电极)放电，破坏了附近的水的电离平衡，该区域的溶液显碱性，因此铁极的溶液先变红。(3)粗铜中比铜活动性强的金属失去电子被氧化，溶液中的铜离子得到电子被还原，因此硫酸铜溶液浓度将减小；精铜电极上的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。

[答案]　(1)负极　H2－2e－＋2OH－===2H2O

(2)阳极　铁极　(3)减小　Cu2＋＋2e－===Cu